小特集･火力発電
最近のl,000MW級大容量蒸気タービン
Recent
Technique
of
Large-Scale
Steam
Turbines
11獅ロ52年2月,LJ立製作所製作の殻大谷ら主機で,かつ[釧勺でも貴大のJlけプ機であ る東京電力株式会社納め袖ヶ浦火力発屯所3号椀1,000MW蒸■;もタービン設備が営 業運転を開始した｡本稿では,ニの50Hzl,000MW茶1もタービンの逆転データ放び タービンの特徴について紹介するとともに,将米の60Hzl,000MW蒸1もタービンの湛 本計匝j概要と高件能･高イ言板件の要求にマッチした新技術の適用などについて述べる｡ t】
緒
言 接近逆転に入った東京電力株J〔会汁仙ヶ浦火力ヲ己電所納め の50Hzl,000MW蒸与(ターービンは,日立巷望作三所♂)妓耕の技術 を駆位して設計･製作されたもので,これらの新托術は打水 の60Hzゴ或IFt+け1,000MW;扱蒸1(タービンの戸汁1山‥二も過川でき るものである｡ _呪力三,60Hz士或では600∼700MWまでの運転実芯が出てお I),これら♂)大谷呈機でも変圧運転方式を呼人して中間負荷火 力とするなど,椎々の試みが行なわれているが,杓来の60Hz 城の1,000MW級プラントを考える場合には,原十力発う富プラ ントが運転開始することを考接しても,なおべ)-ス負荷逆転 を恭本とし,同時に電力需用の変動に追従するために部分負 荷運転時の高効率化も十分に考慮する必要があろう｡ 【￣￣Jよ製作所では,現在50Hzl,000MW茶気ターービンでの好 調な運転実績を基礎に,60Hzl,000MW級蒸乞七夕【ビン♂)設 計を完了しているが,その中には43in最終段巽の特性改善, 高効率段諮設計,大径軸受の;謂発,屯イ･か､バナの性能向_卜 など,特記すべきものも幾つか挙げられる｡以￣卜に,こ拉近の 1,000MW級恭与iタMビンの計画概要と,蒸気クーービン構造の 特徴について紹介し,関係者の参考に供したい｡ 囚最近の大容量機とタービン形式
我が国の50Hz城での単機容量の増大は,350MWから600 MW,次いで1,000MWと-一定のステップで亡11力増加が行なわ れてきた｡しかも,どのタービン形式もクロスコンパウンド 形であり,克之終段巽長の増大がそのまま山力増加となって表 われてし､る｡一一ノ∴ 60Hz城では,出力が多様であるのと同時 に,中室数,再熱段数,恭乞(温性などにかなりのバラエティーー がみられる(表1,2){,しかL,境終段冥土主としては33.5in が妓女であり,これ以卜の出力増加に対Lては新しいf主巽が 必要となってくる｡また60Hz機の特徴として,従来はタンデ ムコンパウンド形が採川されていたが,1,000MW弟汲プラント になると1,800rpm低白三部を採川する必宴件が生じ,クロス コンパウンド形を採用しなければならない｡, このように,ニ将来の60Hzl,000MW級蒸気ターービンは,形 式的,構造的に50Hzl,000MW蒸気タービンとほぼ同様なも のになることが分かる｡すなわち,クロスコンパウンド形4 卓基4流.排気方式とし,最終段には1,800rpm川43in民選を 用いた3,600/1,800rpm機となる(表3)｡43in長巽は,50Hz l,000MWの41in女真とほぼ同等の環帯面積をもち,1,000 MWタービンの熟効ヰ咋り上に人きく寄与するであろう｡ ∪,D.C,る21.1d5.53 久野勝邦*宮井匡彦*
森谷新一* 〟才5(〃いツ∬αJ5比丘〟托J 〟J〟(JJ〃αSαんJんr, 〟〃γ∼〟α5/IgJ乙'よcムf 表1 50Hz機の標準仕様 50Hz機ではl･7倍の割合での出力増加がこ れまでj采用されている.〕 出力 項目 350MVノタービン 600MWタービン 1,000MWタービン 第1号納入横 営業運転開始年 1968 1971 1977 タ ー ビ ン 形 式 CC4F-26=I CC4F-33.5 CC4F-41 回 転 数(rpm) 3.000.ノ′3,000 3,000//3,000 3,000.′′1,500 車 重 数 4 HPLP tpLP 4 HPLP エPLP 4 HPIP +PLP 主蒸気条件 (kg.′′cm2･g一〇c′′′□c) 最終段翼長(mm) 16g-566/566 663.6(26in) 246-538′/′566 850.9(33.51∩) 246538′′/566 1,041,4(411∩) 注:* TC4F-26(3車重形)も採用されている口 図1は,ターービンプラント山力と殻終段長興環帯面積との 利潤関係をホしているが,軸1,000MWプラントともに従米 の実績機よりもうミ裕をもった点にプロットされており,燃料 費の高騰が-￣j二愁される将来でも 卜分な経折性を維持できるで あろう｡田1,000MW級蒸気タービンの構造
1,000MW級蒸1もタービンでは,41in,又は43in反発が必要とされるため,高圧部一中庄部から成る高速軸(3,000rpm
又は3,600rpm)と,低速軸(1,500rpm又は1,800rpm)の低圧部との組合せとなる(図2)｡
な丘ゴ,アメリカTVA社の例では1,300MW蒸気タービンに ｢■榊由ともに3,600rpmとした6車宅から成るクロスコンパウン ド形が採用されており,我が悶及びアメリカのメーカ"が採 用しているデュアルスピrドガ式(高速軸/イ氏速軸)とどのよ うな差があるのか検討の余地が残っているが,この方式では 中主数が増大するとともに,伯:守点検因子が増加することが * 日立製作所臼i三工場260 日立評論 VOL.59 No.4(1977-4) 表2 60Hz機の標準仕様 60=z機では,衷に示すように種々の出九形式がこれまで採用されている｡ 出力 項目 350MWタービン 450MWタービン 500MWタ¶ビン 600MWタービン 700MWタービン 1.000MWタービン 第1号納入横 営業運転開始年 1971 1973 1974 †973 1977 タービン形式 TC4F-26 TC4F-30(又は33.5) l TC4F-30(又は33.5) TC4F-33.5 TC4F-33.5 CC4ト43 回転数(rpm) 3,600 3,600 3,600 3､600 3,600 3.600/′1,800 車 室 数 3 HPIPLPLP 3 HPIP+P+P 3 HPIPLP+P 4 HPTPLPLP 4 HPfPしPLP 4 HPIP LPLP 主蒸気条件 (kg/cm2･g-Oc/Oc) 最終段翼長(mm) 169-566./■538 663.6(26ト∩) 246-538.ノ′566 762(30】[)又は 850.9(33.5け1) 246-538ノ′538 762(301∩)又は 850.9(33.5】[) 246-538.552･566 850.9(33.51∩) 246-538.′566 850.9(33.51rl) 246￣538′′538(566) 1,092･2(43Jn) 表3 l′000MW蒸気タービンの主+要仕様 東京電力株式会社袖ヶ浦 火力発電所3号機l′000MWタービン(50Hz)と,ニれをベースに設計した60Hz 向け】.000MWタービンの仕様を比較Lて示す｡ 比較区分 項目 単位 50Hz向け 60Hz向け 定格出力 タービン形式 kW ｢Pm 1,000,000 CC4F-41 1,000,000 CC4F-43 回 転 数 3.000/1,500 3,600/1.8(氾 車 室 数 4
-F了㌫1
HPIロ ｢￣｢一一 4-Fキ㌫1
HPIP ｢●｢-→ し P L p L P J P 主 蒸 気 圧 力 kg/om2･g 246 246 主 蒸 気 温 度 Oc 538 538 再 熱 温 度 ロC 5(∋6 538(又は566) 排 気 真 空 mmHg 722 722 抽 気 段 数 段 8 8 タ 1 ピ 高圧部 中庄部 段 段 (初段のみ) (初段のみ) 1×2流十8 1×2流＋6 6×2流 5×2流 ン 段 数 低 圧 部 段 10×4流 8×4流 計 段 25(52ホイール) 20(58ホイール) 最 翼 長 mm mm 1,041,4(41in) 1,092.2(43in) 終 平 均 直 径 3,505.2(138in) 3,352.8(1321∩) 段 翼 周 速 m/s 357 41g 環 帯 面 積 m2 45,86(493.6ft2) 46.01(495.3ft2) 外 形 寸 プライマリー全長 m m m 17.27 17,03 セコングリー全長 24.78 23,83 法 2軸間距離 11.28 11,28 構 造 高圧初段 アドミッション数 中庄ロータ 低圧ロータ 複流形 2 12クロームロータ材 全段焼ばめロータ 複流形 3∼2 5認qC再熟=Cr一仙-〉ロータ材 5餓□c再熟=12クロムロータ材 全段焼ばめロータ 制 御 装 置 調速機 主蒸気止め弁 蒸気加減弁 組合せ再熱弁 個 個 個 電子ガバナ(EHC) 4 4 2 電子ガバナ(EHC) 4 4 2 1,200 0 ∩) 0 800 800 400 (≧≡)只五人山-仇 200 0 注:経済範囲=1,400∼3,600kW/ftZ rV式
1.｡｡｡MW藩
7｡｡MW･/浮′7
./ 駐 m 1q■ 600MW′′
′′ ヾ芸芸呂蒜芸/′ケ､が､＼
′ ◆ 350MW′●_こっ
警
L.+ し+ 寸 寸 0 ⊂⊃ ● ● く⊃ ⊂⊃ M くD の の ロ〉 く⊃) 寸 寸 l l 0 100 200 300 400 500 貴終段環帯面積=t2) 図l タービン出力と最終段環帯面積の関係 l′000MW CC4F-41形(50Hz),CC4F-43形(60Hz)は.従来実績機に比較し環帯面積に余裕があ り,熱効率が向上している｡ 懸念される｡いずれにしても,最終段翼長は既設計の中より 選択することになるため,おのずと車室数,回転数などが制 限されるわけで,それぞれのタービンメーカーで最も信頼性 が高く,熱効率の優れた形式を選択することがユーザー側か らみても望ましいこととなるであろう｡ 日立製作所の場合,60Hzl,000MW級蒸気タービンの計画 では,50Hzl,000MW蒸気タービンの形式を踏襲し,実績機 の技術を全面的に生かして,信頼性の高い機械にしたいと考 えている｡次に,日立製作所で計画された60Hzl,000MW級 蒸気タービンの構造の特徴について紹介する｡(1)43in最終段長発
表4に43in長巽を他の長巽と寸法比較して示した(図3参
照)｡43in長異については,運転周波数範囲を広(1信頼性を 増すために実物異による試作回転試験を進行中である｡最近のI′000MW級大容量蒸気タービン 261 ｢W￣て￣￣`+m【､1■` (a)プライマリー軸(3,600rpm)
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I (b)セコングリー軸(1,800rpm) 図2 CC4F-43形蒸気タービン断面図 将来の60Hz向きCC4F-43形タービンの断面を示す｡ 表4 l′800rpm用長翼の仕様 日立製作所が試作中の43in長翼の仕様 を.l′800rpm用実績量長の38山長翼と比較Lて示す｡ 比重支区｢升 項目＼二､＼＼増伍(り38in長翼(芸慧)
(2)43in長翼:(2)/(り戸 1 常 用 回 転 数 ｢･P･m l′880 ,′800 l 翼 プ ロ フ イ ノレ 部 翼長 平均直々量 環帯面積 根本幅(軸方向) mm mm m2 mm 965,2 3′238.5 8.85 165 l′092.2 3′35Z.8 l卜50 208 l_13 1.04 l.30 卜26 周;皮数変動許容範囲 Hz 58.5(-･60.5 58.5∼60.5(2)焼ばめ式低圧ロータ
低速回転機では,ロータ寸法が大形となり,シャフトとデ ィ スクの素材を別々に製作し,ディスクに輿を植込んだ後, シャフトに焼ばめすることになる｡このロータ構造は,原子 力用蒸気タービンに広く採用されており製作上の問題はなし､ が,火力用蒸気タービンでは低圧入口蒸気が比較的高∼息とな るために,入口2段落にほピンブッシュ形ディスクを採用し なければならない｡(3)複流形高圧初段
蒸気タービンの部分負荷効率は,調速方式の選択によって 大幅に改善できる｡従来,1,000MW級蒸気タ【ビンでは､高 圧初段巽の蒸気曲げ応力の制限から絞り調速方式が採用され ていたが,50Hzl,000MW蒸気タービンでは,高圧初段だけ を複流形として翼応力の低減が図られている｡一方,この複 i充初段構造では,翼応力が低減されたのに反して複流ノズル ボックスの構造上の問題があって,結果として50Hzl,000 MW茶気タービンでは2アドミッション方式が採用されるにとどまっている(図4)｡ただし,単流ノズルボックスを採用
している500MW蒸気タービンでは,4アドミッション方式を 採用している例もあるので,将来橡流ノズルボックスの改善 が図られることになろう｡ 高h三初段巽としては,単流当たりの出力負担が半減したこ とによって,従米どおりの桜形ダブテイルと,ダブルテノン の組合せが可能となった｡これら校ラ充高圧初段の構造につい ては,ノズルポ､ソクス及び高圧初段巽のそれぞれについて試 作を実施済みである1)｡ 図3 3引∩長翼(左)と43in長翼(右) 日立製作所で製作した38in長翼 と43in長翼の比較(いずれもl′800rpm用)を示す｡262 日立評論 VO+.59 No.4(1977-4)
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タービン側 高圧初段軽)/′
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複涜ノズルボックス (a)複流方式 高圧初段 (b)単流方式 発電横側 高圧初段左
単流ノズルボックス 図4 高圧初段の構造比較 700MW級以上でほ複流形が採用され,高 圧初j設翼の応力緩和が図られている｡(4)再熱蒸気温度と･=い臼三部の構造
再熱蒸気温度は通常5380c,あるし､は566ロcが抹稲されてい る｡両者の温度差はわずか28白cではあるが,5660c再熱蒸ちも i且度とした場合には熱効率が全体として約0.8%向上されるこ とになI),中庄部の強度向上対策のコストを差し引いても経 消的に有利となる｡この場合の中庄部の対策としては,逆ク リスマスツ1ノー形ダブテイル,ロータi令却,二重卓三喜式再熱 蒸気萎などが挙げられるが,最近,高子息クリープラブチャー 強度の高い12クロムロータ柑を採用することによって,ロー タ冷却を廃止し,再熟蒸気温度の向上による利得をフルに活 用しようという試みも行なわれている｡このような観点から, 50Hzl,000MW蒸気タービンでは,12クロムロータ柑を才采用 して5660c再熱蒸気温度としているが,60Hzl,000MW級蒸 気タービンへの適用についても十分に期待できるものである｡(5)高効率化のための新技術
蒸気タービンの内部効率は,段執勺部効率と蒸気漏洩,圧 力･蒸気のJ肇擦才員失などの拭失の大小によって評価される｡ 段落内部効率を更に詳しく検討すれば,ノズル及び巽プロフ ィルでの渦流損失や二次流.れ損失を減少させることが,熱効 率の向上に結びつくことが分かる｡これら異形二伏の改善によ る熱‡貞夫の低i成にづいては,長年月の研究を要するものであ り,タービンメーカーが最も重視するところである｡日立製 作所では永年の研究の結果,過去にラミナー巽形,三次元巽 列設計法などの開発を行なったが,最近,特殊なねじれ角度 を与えたコントロ【ルド･ボルテックスノズルの開発に成功した(図5)｡更に,発とノズルの過止な組合せによって段落
内の熱損失を大幅に低音成できることも分かっている｡一方, 巽プロフィル以外の部分で発生する損失の低減に対しても, 巽頂部フィンの倍増や,中庄排気室及び低圧排気主の構造改 一掛二より,排ユーも川実の低減も可能となった(図6)2)｡これら むろもろの熱効平1Jり上手段は総′ナで約1%以上の効率向__L二 か見込まれている｡】また部分負荷時の熱効率向上には,変 ノー1_三逆転方土(など連用条件の変￣変による大帖な改善も有効とな ろうL｡ (6)軸受,十軸ポンプなど 60Hzl,000MW級蒸∼くタ】ビンでは,50Hz機と比較して 山転数が増大するだけ嘲速の高い軸′乏及び容量の大きし､潤i骨 仙ホ■ンウ梨iが必要となる｡二将来♂)人容量化のための主軸ノ受及 び土油ポンプの試作は既に完了している3)が,これらの機器 什様の坪卜人は潤?骨油設イ蹴 油i令却器など補機類のイ上様の増大 に直接去与き苦学することになるため,可能なi狙り小形,′ト容量の もので捕ませることが望まLい｡ニの心からみれば,前に触 れた1,000MW級蒸∼iタ【ビンの形J〔比較で,車か豊岡辿の小 さいデュアルスビート機が有利となる｡ 軸ノ乏の人形化には奉加安川尖増加が伴い,潤附油のタブ化傾向 や,潤子骨仙中の微少な興亡物による軸√豊根似などが発生しやす い粂∩二となる｡これに対しては,イ氏J上部軸′受にジャッキング 仙ポンプを取り付けることによって,タ】ニング運転中の軸 一三油膜の形成を促進する一一方,軸′ヱメタル中にサーモカリブ /レを悼め込んで,道転中,特に降適時の軸ノ壬メタルi温ノ空グ)異 ′さiチ変化を官rこ祝するなどの対策が必要である｡ (7)･卜 三_ミ ■ミニさiけ三枚び中一主ヰ土三ミには,ウオータ【インダクシ サーモカリプルを各才由シも壬と≡根気三去に取り付ける｡ α＼ レr2 従 来 (ボルテックス理論) (qヱ軸唯召増収騰G〈ナで一｢.ペ＼ 5 0丁
従来 ン監視用 また,什L 注: α =ノズル蒸気流出角度 しrl=蒸気絶対速度 t′■2=蒸気相対速度 帆･'=ロータ回転速度 新技術 (コントロールトボルテックス理論) (a)タービン段落内での蒸気速度三角 直線ノズル (ボルテックス理論)1
新技術 ねじれノズル (コントロールド･ボルテックス理論) 0 20 40 60 ノズル高さ =′′上‥‥･･%) (b)ノズル口角度の変化状痕 100 区15 コントロールド･ボルテックスノズル ノズル出口角度に特 殊なねじれを与えることにより,段落効率の向上が図られる｡最近のl,000MW級大容量蒸気タービン 263 構造改善 形 式 リーク 蒸気の低減 排 気 損 失 の 低 減 翼頂部蒸気シールの改善 中庄排気窒の改善 低圧排気圭の改善 ケーシング 従 来 形 /モ シュラウド 翼 2 枚 フ ィ ン 気 蒸 排気 口 【スチームガイド スチームガイド l〃 ー軸受コーン スチームガイド ケーシング シュラウド /∈ ∬異 新 形 4 枚 フ ィ ン 気 蒸 排気 スチームガイド スチームガイド 軸受コーン スチームガイド 図6 高効率化のためのタービン構造改善 段落内部効率の改善のほかに,段落内リーク蒸気の低減 及び排気損失の低減によってもタービン効率の改善が図られている(+段落内部効率の改善とタ【ビン構造改善と による熱効率の向上は,総合で約l%以上が見込まれる【J (MW) 1,000 100 10 75トバWパイロットプラント 製作試験 昭和発電株式会社石原火力発電所No_5 75hlW再燕タービン 鶴崎共同動力株式会社鶴崎火力発電所帖1 28MW二尉由気復水タービン 開発スタート試作 一-･●- 一-･■■ 75MW背任タービン 工場無負荷試験 東京電力株式会社袖ノr浦火力発電所No,3川00MW再熱タービン 中部電力株式会社浜岡原子力発電所仙2840MW原子力タービン 東京電力株式会社福島原子力発電所ND.4784MVイ原子力ターヒン 昭和発電株式会社市原発電所No.6175r州丙熱タービン 日本琶有鉄道川崎火力発電所N口6125hlW再熱タービン 鴎油井同動力株式会社捌奇火力発電所N〔ノ.2 35hlW油気晋庄タービン 東北型緻株式会社秋田工場Nロ.1 2州叫由気復水タービン 十条製紙抹式会社石巻工場帆3 23MW抽気背庄タービン 新日本鎚綿武舎社広畑製罵繍Nol 22.8肌V紬気背庄夕一ビン ブリテストンタイヤ株式会社彦眼工葛No-1 5.2MW抽気背圧タービン 新日本製筑株式会社広畑製賢所ND-2 22_5MW油気背庄タービン ティシタルEHC ---一一■-lト 注:回申の矢印の意味 -■ 設計着手 営業運転罰絵. 丈【ま開発完了 19661967 1g68 1969 1970 1971 柑72 1973 1974 1975 1976 1977 年 トランジスタEHC IC化EHC(自動化装置はディジタル化) ディジタルEHC(完全二重化実施) 図7 電子ガバナ(EHC)の開発過程 頭初,産業用タービン向けに開発を着手した電子ガバナは,その 後急速に大容量タービンへも適用されている｡更に,装置の信頼性向上のための完全二重化を実施したディジタ ル電子カーノヾナの開発が進行中である｡
264 日立評論 VO+.59 No.4=977-4) 表5 東京電力株式会社袖ヶ浦火力発電所3号機l′000MW CC4F-41形蒸気タービンの試運転記毒曇 l′000MW初出力の早期達成及び計画 値を満足する運転データは,タービンの高い信頼性を示Lている｡ (a)実績工程 項 目 年 月 日 初 通 気 昭5l-8-2 初傭人 初めて十負荷をとった日 昭5l-8-30 日召51-8-31 初めてそ負荷をとった日 昭51-9-3 初めて増一負荷をとった日 昭5l-9-16 初めて一告負荷をとった日 昭5l-9【･17(初通気から47日目) 営 業 運 転 開 始 日 日召52-2-18 (b)負荷しゃ断試験結果 負 荷 実 施 日 最大速度上昇率(%) ユ4 そ 子 A4 昭5l-9-6 昭5l-9-16 昭引-1l-18 昭52¶l-18 ＋3.67 ＋3_60 十5.60 十7.56 (c)性能試験結果(タービンプラント効率)(速報値) 燃 料 】 実施 日
